利用對反射光的光譜波前分析的眼睛計量的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及光學反射和散射介質(zhì)的計量，并涉及高光譜成像和波前分析領域。本發(fā)明主要開發(fā)用于人眼計量，且下文將參考該應用來描述本發(fā)明。然而應理解的是，本發(fā)明并不限于該特定使用領域。
[0002]相關(guān)申請的交叉引證
[0003]本發(fā)明要求于2013年6月20日提交的澳大利亞臨時專利申請第2013902254號的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過引證結(jié)合于此。
【背景技術(shù)】
[0004]在整個說明書中，任何有關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的討論都不應該被認為是承認該現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)為公知常識或構(gòu)成本領域公知常識的一部分。
[0005]已通過一系列不同儀器解決了對光學部件(尤其是人眼)的測量，這些儀器能夠提供有關(guān)眼睛形態(tài)和功能的不同方面的信息并識別各種異常。測量眼睛表面的輪廓在需要裝配隱形眼鏡(contact lens，接觸鏡片)的應用中受到特別關(guān)注，且隨著隱形眼鏡的范圍和功能的增加，精確測量較大區(qū)域的表面地形圖(topography)的需要變得越來越重要?？蛇M行的其他測量包括波前分析，波前分析為對眼睛的光學特性(即，眼睛功能)進行的基于相位的測量。對眼睛前段各種特征的測量在外科應用中可具有很大價值。在對眼睛視網(wǎng)膜進行成像方面已取得了重大進展，且光學相干斷層掃描技術(shù)(OCT) (optical coherencetomography，光學相干層析成像技術(shù))已使得能夠通過使用反射光的強度和相位所包含的信息的掃描方法對多種眼睛結(jié)構(gòu)進行三維分析。
[0006]圖1示意性地示出了能夠計算活體人眼角膜的隆起度(elevat1n)和曲率的普氏盤(Placido disc，普拉西多氏角膜盤)地形圖儀。一系列被照射的同心環(huán)100從目標角膜101被鏡面反射，且反射圖像被透鏡系統(tǒng)102投影到成像傳感器103上。使用軟件來處理捕獲的圖像以識別環(huán)反射和相應的物理環(huán)。利用環(huán)100的已知幾何形狀和透鏡系統(tǒng)102，在每一個環(huán)圖像與相應的物理環(huán)之間進行反向光線追蹤104以確定角膜表面從角膜頂點105處開始在每一個反射點的斜率。使用“弧階(arc step)”算法來計算下一個環(huán)反射點沿每一條射線的斜率、曲率和軸向深度。
[0007]圖2示意性地示出了能夠沿狹縫孔徑222在許多點處對光的強度進行光譜分析的“推掃式”高光譜成像儀(‘push broom’hyperspectral imager)。狹縫孔徑222用于分析樣本221 (例如，由遠視成像系統(tǒng)或其他成像系統(tǒng)形成的圖像)的線性部分。準直透鏡223將通過狹縫孔徑收集的光引導至分散元件(例如，光柵225)，其有角度地使光的波長分量分散，且聚焦透鏡224將每一個波長分量聚焦到沿焦平面陣列226的波長軸線的分離位置上，信息在此處被收集和分析。通過相對于狹縫孔徑222來掃描樣本221可獲得完整的高光譜圖像。高光譜成像還延伸至二維“單拍(single shot) ”應用，其中對穿過一區(qū)域的不同波長的光強度進行“單拍”測量，而非以掃描方式進行測量。
[0008]高光譜成像僅收集與強度有關(guān)的信息，因此會丟失任何相位信息。其對眼睛計量的價值有限，且生物學應用通常局限于理解光譜特征，例如血液的氧化，這些光譜特征通過吸收性或熒光性來顯示。
[0009]圖3示意性地示出了用于確定眼睛波前像差(aberrat1n)的波前分析儀。輸入的已知光束或波前321 (通常為單色但并不一定為單色)通過分束器322傳播至待測眼睛324，在此處，理想的是光束因眼睛的屈光力(optical power) 323被聚焦到視網(wǎng)膜325上，或接近視網(wǎng)膜325。然后，一小部分反射分量因眼睛的屈光力被準直，并通過分束器322與輸入光束321分離以形成輸出波前326，其含有關(guān)于眼睛324的剩余屈光力和像差的信息。
[0010]利用夏克-哈特曼分析儀(Shack-Hartmann analyser) 327來分析輸出波前326，如圖3a中的放大圖所示，分析儀327由微透鏡陣列331組成，微透鏡陣列對預定網(wǎng)格的波前進行采樣并將其聚焦到焦平面陣列333上。由每一個微透鏡形成的圖像斑點334的位置可用于估計波前326在每一個采樣點的斜率335，且如果可足夠準確地確定斜率且如果采樣點之間的變化并不大，則有可能重構(gòu)波前在采樣點的實際相位328。已建議利用多光譜波前分析儀來確定光學部件的分散性能，例如眼睛的縱向色差，例如在P.珍妮和J.施魏因格林的“RGB夏克-哈特曼波前傳感器”，現(xiàn)代光學雜志2008年第55卷第737-748頁(P.Jain and J.Schwiegerling ‘RGB Shack-Hartmann wavefront sensor’，J.ModernOptics 55(2008)737-748)以及S.曼扎羅拉等人的“用于人眼的波長可調(diào)波前傳感器”，光學快遞 2008 年第 16 卷第 7748-7755 頁(S.Manzanera et al ‘A wavelength tunablewavefront sensor for the human eye，，Optics Express 16 (2008) 7748-7755)中討論的那樣。然而，未獲得不同波長之間的相對相位信息。
[0011]許多分析眼睛的方法依賴于被稱為光學相干斷層掃描技術(shù)(0CT)的各種變型，該技術(shù)能夠提供關(guān)于眼睛結(jié)構(gòu)的斷層掃描數(shù)據(jù)并結(jié)合入許多眼睛儀器?？衫玫姆椒ㄖ饕袃煞N，即時域 0CT 和譜域 OCT (time domain OCT and spectral domain OCT)。在時域 OCT中，通過對從樣本反射的光進行成像并利用由相同源提供的但具有時變路徑長度的參考光束干涉圖像或圖像內(nèi)的單個點，可利用相干長度為幾微米的部分相干源(例如，超輻射發(fā)光二極管(SLED))的相干特性。在樣本中與路徑長度延遲對應的特定深度，將在組合的反射回信號中檢測到干涉條紋包絡，從而允許重構(gòu)在深度維度的反射剖面。通常，一次僅對單個采樣點進行處理，且相應的深度掃描被稱為“A掃描”。該技術(shù)的變型(被稱為線性0CT)通過使參考光束和樣本光束適當?shù)爻山嵌纫詥闻姆绞讲东@A掃描，并沿焦平面陣列檢測條紋。在每種情況下，可在正交維數(shù)上掃描采樣點以提供二維“B掃描”或甚至完整的三維掃描。
[0012]譜域0CT技術(shù)不再掃描延遲線，而是通過利用參考光束干涉反射光來分析反射光，作為波長(掃頻源0CT)的時變函數(shù)，或通過利用光柵或其他光譜多路復用器(spectraldemultiplexer)使不同的波長分散并同時沿檢測器陣列檢測。譜域信息為空間(深度)反射剖面的傅里葉變換，因此空間剖面可通過快速傅里葉變換恢復(在技術(shù)的限制范圍內(nèi))?，F(xiàn)代計算技術(shù)使得能夠利用例如諧振掃描鏡快速地進行可在兩個軸線上掃描的A掃描，以便以作為臨床可允許的屈光力、分辨率與信噪要求之間的折衷的刷新速率給出高分辨率完全掃描。眾所周知，在利用0CT的掃描系統(tǒng)中，由于掃描期間活體人眼會發(fā)生微米級運動(通常為一秒的量級)，因此很難在不同采樣點之間實現(xiàn)高精度相對測量。
[0013]阮(Nguyen)等人(光學快遞2013 年第 21 卷第 13758-13772 頁(Optics Express21 (2013) 13758-13772))已提出了基于將干涉儀與經(jīng)修改的能夠在圖像平面測量多個A掃描的高光譜成像系統(tǒng)結(jié)合的OCT系統(tǒng)。然而，由于無校準或無指定用于保證相位關(guān)系的方法，因此該系統(tǒng)似乎無法保持采樣點或波長之間的相對相位信息。
[0014]發(fā)明目的
[0015]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的至少一個局限性。本發(fā)明的優(yōu)選形式的目的是提供依賴活體生物樣本(尤其是可易于產(chǎn)生運動偽影的樣本，例如眼睛)中的光學相位進行精確測量的系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了用于分析波前的光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括適于在該波前的多個采樣點提取光學相位和光譜信息的光譜波前分析儀，其中，該多個采樣點之間的相對相位信息得以保持，且其中該多個采樣點形成二維采樣陣列。
[0017]二維采樣陣列優(yōu)選包括多個由微透鏡陣列形成的細光束。
[0018]在優(yōu)選的實施方式中，波前通過探測光束從樣本反射或投射穿過樣本的獲得。
[0019]系統(tǒng)優(yōu)選適于在單次采集中從多個采樣點提取光學相位和光譜信息，以減少樣本運動造成的偽影。
[0020]在優(yōu)選的實施方式中，系統(tǒng)包括處理器，該處理器適于處理光學相